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電磁波

電磁波是由相同且互相垂直的電場磁場在空間中衍生髮射的震盪粒子波,是以波動的形式傳播的電磁場,具有波粒二象性。電磁波是由同相振盪且互相垂直的電場與磁場在空間中以波的形式移動,其傳播方向垂直於電場與磁場構成的平面。電磁波在真空中速率固定,速度為光速。

電磁波伴隨的電場方向,磁場方向,傳播方向三者互相垂直,因此電磁波是橫波。當其能階躍遷過輻射臨界點,便以光的形式向外輻射,此階段波體為光子,太陽光是電磁波的一種可見的輻射形態,電磁波不依靠介質傳播,在真空中的傳播速度等同於光速。從科學的角度來說,電磁波是一種能量,凡是高於絕對零度的物體都會釋出電磁波。且溫度越高,放出電磁波的波長就越短。[1] 中文名: 電磁波

外文名; Electromagnetic wave

別 稱: 電磁輻射、電子煙霧

提出者: 詹姆斯·麥克斯韋

提出時間; 1865年

適用領域範圍 :通信、微波爐遙控器

電磁波的發現

1873年,英國物理學家麥克斯韋在他的著作《電磁學》中提出了電磁理論,預言了電磁波的存在。他去世八年後,德國物理學家赫茲的實驗證實了這一預測。

1887年,赫茲通過電火花放電實驗證實了電磁波的存在。赫茲在兩根銅條的兩端放置了一個大金屬片和一個小金屬球,他把銅條排成一條直線,讓兩個球互相面對,中間留有一個空隙。然後大金屬片被充上不同的電荷,兩個球之間產生火花。

每一個火花都可以將自由運動的電磁波從棒中分離出來,銅棒以振盪器為中心向四面八方發射。這不僅證實了電磁波的存在,而且表明電磁波可以不用電線傳播。

赫茲的實驗是劃時代的突破,為無線電通信奠定了基礎。為了紀念他,電磁波的頻率單位被命名為「赫茲」。[2]

電磁波概述

電磁波是電磁場的一種運動形態。電與磁可說是一體兩面,變化的電場會產生磁場(即電流會產生磁場),變化的磁場則會產生電場。變化的電場和變化的磁場構成了一個不可分離的統一的場,這就是電磁場,而變化的電磁場在空間的傳播形成了電磁波,電磁的變動就如同微風輕拂水面產生水波一般,因此被稱為電磁波,也常稱為電波。

電磁波頻率低時,主要藉由有形的導電體才能傳遞。原因是在低頻的電振盪中,磁電之間的相互變化比較緩慢,其能量幾乎全部反回原電路而沒有能量輻射出去;電磁波頻率高時即可以在自由空間內傳遞,也可以束縛在有形的導電體內傳遞。在自由空間內傳遞的原因是在高頻率的電振盪中,磁電互變甚快,能量不可能全部反回原振盪電路,於是電能、磁能隨着電場與磁場的周期變化以電磁波的形式向空間傳播出去,不需要介質也能向外傳遞能量,這就是一種輻射。舉例來說,太陽地球之間的距離非常遙遠,但在戶外時,我們仍然能感受到和勛陽光的光與熱,這就好比是「電磁輻射藉由輻射現象傳遞能量」的原理一樣。

電磁波為橫波。電磁波的磁場、電場及其行進方向三者互相垂直。振幅沿傳播方向的垂直方向作周期性交變,其強度與距離的平方成反比,波本身帶動能量,任何位置之能量功率與振幅的平方成正比。 其速度等於光速c(每秒3&TImes;10的8次方米)。在空間傳播的電磁波,距離最近的電場(磁場)強度方向相同,其量值最大兩點之間的距離,就是電磁波的波長λ,電磁每秒鐘變動的次數便是頻率f。三者之間的關係可通過公式c=λf。

通過不同介質時,會發生折射反射、繞射、散射及吸收等等。電磁波的傳播有沿地面傳播的地面波,還有從空中傳播的空中波以及天波。波長越長其衰減也越少,電磁波的波長越長也越容易繞過障礙物繼續傳播。[3]

產生原理

電磁場是物質存在的一種特殊形式。電荷在其周圍產生電場,這個電場又以力作用於其他電荷。磁體和電流在其周圍產生磁場,而這個磁場又以力作用於其他磁體和內部有電流的物體。

電磁場也具有能量和動量,是傳遞電磁力的媒介,它瀰漫於整個空間

根據麥克斯韋的預言:電磁場就這樣在電生磁,磁生電的過程中以光速在空間上不斷傳播開來,像潮水一樣一波一波地向前涌動,形成了電磁波。[4]

能量

電磁波的能量大小由坡印廷矢量決定,即S=E×H,其中s為坡印廷矢量,E為電場強度,H為磁場強度。E、H、S彼此垂直構成右手螺旋關係;即由S代表單位時間流過與之垂直的單位面積的電磁能,單位是W/m2。

電磁波具有能量,電磁波是一種物質。

公式與單位

公式

c=λf

c:波速(光速是一個常量,真空中約等於3×10^8m/s) 單位:m/s

f:頻率(單位:Hz,1MHz=1000kHz=1×10^6Hz)

λ:波長(單位:m)

真空中電磁波的波速為c,它等于波長λ和頻率f的乘積c=λf

真空中電磁波傳播的速度c—大約30萬千米每秒,是宇宙間物質運動的最快速度。c是物理學中一個十分重要的常數,目前公認的數值是:c=299792.458km/s≈3×10^×8m/s

單位

電磁波頻率的單位也是赫茲(Hz)。但常用的單位是千赫(KHz)和兆赫(MHz)。

電磁波譜

頻率是電磁波的重要特性。按照頻率的順序把這些電磁波排列起來,就是電磁波譜。如果把每個波段的頻率由低至高依次排列的話,它們是無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線X射線γ射線(除無線電波外其他合稱光波)。頻率與波長成反比。

通常意義上所指有電磁輻射特性的電磁波是指無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線。而X射線及γ射線通常被認為是放射性輻射特性的。 [5] 電磁波頻譜的劃分: [6]

1、甚低頻(VLF)3 kHz~30 kHz,對應電磁波的波長為甚長波100 km~10 km;

2、低頻(LF)30 kHz ~300 kHz,對應電磁波的波長為長波10 km~1 km;

3、中頻(MF)300 kHz~3000 kHz,對應電磁波的波長為中波1000 m~100 m;

4、高頻(HF)3 MHz~30 MHz,對應電磁波的波長為短波

無線電波0.1毫米~3000米(微波0.1毫米~1米)

紅外線0.76微米~1毫米(其中:近紅外短波為0.76~1.1微米,近紅外長波為1.1~2.5微米,中紅外為2.5~6微米,遠紅外為6~15微米,超遠紅外為15~1毫米)

可見光0.38微米~0.76微米

紫外線10納米~0.38微米

X射線1皮米~10納米

γ射線0.1皮米~1皮米

高能射線小於1皮米

傳真(電視)用的波長是3~6米

雷達用的波長在3米到幾毫米。

電磁輻射來源

根據醫學界相關的研究報考,磁場會使人體產生嚴重的危害性病變和思維的延續變化。如果人類長期生活在強磁場範圍內,會導致內分泌紊亂失調,大腦也會產生不正常的延續思維,會誘發人體的某些潛能和特殊的功能變化,也會誘發癌症。在大都市中,由電網和通訊網絡產生的不同頻段的電磁波輻射,已經給人類帶來了諸多不利因素。它主要包括的範圍如下:

1、50赫茲範圍內的低頻網絡磁波干擾。

2、由無線電台和電視台所產生的高頻干擾。

3、電子工業中頻設備的磁波干擾。

4、家用電器的電磁輻射。

5、手機無線電通信的電磁輻射。

6、來自宇宙空間的電磁輻射。

7、不同區域間的強地磁影響。

8、電力工具的磁場干擾。

9、用於機加工設備的電磁影響。

10、有線通信網絡的電磁輻射。

11、超高頻微波設備的電磁輻射。

12、衛星通信的磁波干擾。

13、發電廠的高壓輸電系統網絡。

14、高頻工業設備的電磁輻射。

15、由軍用的雷達系統以及軍用無線電設備產生的電磁波輻射。

16、 由民用通訊設備產生的磁波輻射。[7]

用途

無線電

無線電廣播與電視都是利用電磁波來進行的。在無線電廣播中,人們先將聲音信號轉變為電信號,然後將這些信號由高頻振盪的電磁波帶着向周圍空間傳播。而在另一地點,人們利用接收機接收到這些電磁波後,又將其中的電信號還原成聲音信號,這就是無線廣播的大致過程而在電視中,除了要像無線廣播中那樣處理聲音信號外,還要將圖象的光信號轉變為電信號,然後也將這兩種信號一起由高頻振盪的電磁波帶着向周圍空間傳播,而電視接收機接收到這些電磁波後又將其中的電信號還原成聲音信號和光信號,從而顯示出電視的畫面和喇叭里的聲音。

無線電廣播利用的電磁波的頻率很高,範圍也非常大,而電視所利用的電磁波的頻率則更高,範圍也更大。

其他方面

此外,電磁波還應用於手機通訊、衛星信號、導航遙控、定位、家電(微波爐電磁爐)紅外波、工業、醫療器械等方面。

對人體的危害

1. 對中樞神經系統的危害  

神經系統對電磁輻射的作用很敏感,受其低強度反覆作用後,中樞神經系統機能發生改變,出現神經衰弱症候群,主要表現有頭痛,頭暈,無力,記憶力減退,睡眠障礙(失眠,多夢或嗜睡),白天打瞌睡,易激動,多汗,心悸,胸悶,脫髮等,尤其是入睡困難,無力,多汗和記憶力減退更為突出.這些均說明大腦是抑制過程占優勢.所以受害者除有上述症候群外,還表現有短時間記憶力減退,視覺運動反應時值明顥延長;手腦協調動作差,表現對數字劃記速度減慢,出現錯誤較多.  

2. 對機體免疫功能的危害 

使身體抵抗力下降.動物實驗和對人群受輻射作用的研究和調查表明,人體的白血球吞噬細菌的百分率和吞噬的細菌數均下降.此外受電磁輻射長期作用的人,其抗體形成受到明顯抑制.  

3.對心血管系統的影響 

受電磁輻射作用的人,常發生血液動力學失調,血管通透性和張力降低.由於植物神經調節功能受到影響,人們多以心動過緩症狀出現,少數呈現心動過速.受害者出現血壓波動,開始升高,後又回復至正常,較後出現血壓偏低;心電圖出現R T 波的電壓下降,這是迷走神經的過敏反應,也是心肌營養障礙的結果;P?Q間的延長,P波加寬,說明房室傳導不良.此外,長期受電磁輻射作用的人,其心血管系統的疾病,會更早更易促使其發生和發展. 

4.對血液系統的影響 

在電磁輻射的作用下,周圍血像可出現白血球不穩定,主要是下降傾向,白血球減少.紅血球的生成受到抑制,出現網狀紅血球減少.對操縱雷達的人健康調查結果表明,多數人出現白血球降低.此外,當無線電波和放射線同時作用人體時,對血液系統的作用較單一因素作用可產生更明顯的傷害. 

5.對視覺系統的影響 

眼組織含有大量的水份,易吸收電磁輻射功率,而且眼的血流量少,故在電磁輻射作用下,眼球的溫度易升高.溫度升高是造成產生白內障的主要條件,溫度上升導玫眼晶狀體蛋白質凝固,多數學者認為,較低強度的微波長期作用,可以加速晶狀體的衰老和混濁,並有可能使有色視野縮小和暗適應時間延長,造成某些視覺障礙.此外,長期低強度電磁輻射的作用,可促使視覺疲勞,眼感到不舒適和眼感乾燥等現象。[8]

參考文獻

  1. 電磁波如何產生,電子發燒友網,2018-09-13
  2. 電磁波是誰發現的,快資訊網,2019-06-21
  3. 電磁波的產生與原理,電子發燒友網,2017年12月16日
  4. 電磁波的產生,新浪網,2017-12-19
  5. 電磁波的理解,專業技術社區網,2018-09-28
  6. 電磁波頻譜的劃分,電子工程世界網
  7. 電磁波輻射的來源,電子發燒友網,2017年12月16日
  8. 電磁波對人體的危害,建材網,2015/11/9